JP4862856B2 - 水晶振動子と水晶ユニットと携帯機器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は音叉型屈曲水晶振動子を収納した水晶ユニットとその製造方法に関する。特に、小型化、高精度化、耐衝撃性、低廉化の要求の強い携帯機器用の基準信号源として最適な新電極形成を備えた水晶ユニットとその製造方法に関する。

例えば、図１７（ａ）および（ｂ）は従来の音叉型屈曲水晶振動子１００を収納した水晶ユニット１０１の、蓋を省略した状態での正面図および、蓋付きの状態での側面図である。音叉型屈曲水晶振動子１００は音叉腕１０２，１０３と音叉基部１０４を具えて構成されている。音叉基部１０４はケース１０５の固定部１０６に接着剤１０７，１０８等によって固定されている。又、固定部１０６には電極１０９，１１０が配置されていて、２電極端子を構成している。更に、ケース１０５と蓋１１１は金属１１２を介して接合されている。従来の水晶ユニットはこのように構成されているが、水晶ユニットを小さくしようとすると水晶振動子も小型化が要求される。

小型の水晶振動子を得るために、例えば、特開昭５６−６５５１７と特開２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）では、音叉型屈曲水晶振動子の音叉腕に溝を設け、且つ、電極構成について開示されている。更に、特開昭５６−６５５１７では、振動子形状と溝を同時に形成すること、また、特開２０００−２２３９９２（Ｐ２０００−２２３９９２Ａ）では、振動片の溝部を別工程で形成することが記載されている。
特開昭５６−６５５１７ 国際公開第００／４４０９２ ２０００−２２３９９２ ２００１−２２１６３８ 特開昭５２−５２５９７ 特開昭５５−１３８９１６

音叉型屈曲水晶振動子では、電界成分Ｅ_ｘが大きいほど等価直列抵抗Ｒ_１が小さくなり、品質係数Ｑ値が大きくなる。しかしながら、従来から使用されている音叉型屈曲水晶振動子は、各音叉腕の表裏側面の４面に電極を配置している。そのために電界が直線的に働かず、かかる音叉型屈曲水晶振動子を小型化させると、電界成分Ｅ_ｘが小さくなってしまい、基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_１が大きくなり、品質係数Ｑ値が小さくなるなどの課題が残されていた。

又、例えば、上記従来の特開昭５６−６５５１７と国際公開第００／４４０９２では音叉腕に溝を設け、且つ、溝の構成と電極構成について開示している。又、２００１−２２１６３８の特許文献では電界方向が示されている。しかしながら、本発明の音叉型屈曲水晶振動子の溝の構成、寸法と振動モード並びに等価直列抵抗Ｒ_１、Ｒ_２との関係、及び２電極端子と電極配置との関係について記載されていない。更に、本発明の水晶ユニットとその製造方法についても全く開示されていない。このようなことから、小型の水晶ユニットを実現するには超小型で、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値が高くなるような新形状で、電気機械変換効率の良い電極配置とその構成を備える音叉型屈曲水晶振動子とそれを備えた水晶ユニットとそれらの製造方法とが所望されていた。

本発明は、以下の方法で従来の課題を有利に解決した水晶振動子と水晶ユニットおよびそれらの製造方法と水晶発振器と携帯機器を提供することを目的とするものである。

本発明の水晶振動子の第１の態様は、音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕を備えて構成され、屈曲モードで振動し、基本波モード振動と２次 高調波モード振動を備えた音叉型屈曲水晶振動子で、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の一端部は前記音叉基部に接続され、他端部は自由である音叉型屈曲水晶振動子であって、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々は、上面とその上面に対抗する下面と、内側側面とその内側側面に対抗する外側側面とを有し、前記基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ _１ が、前記２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ _２ より小さくなるように、前記第１音叉 腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の各々に形成される溝の長さ寸法ｌ _１ と、前記音 叉型屈曲水晶振動子の全長の寸法ｌが決定され、前記第１音叉腕の前記内側側面は前記第２音叉腕の前記内側側面に対向していて、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面 と下面の各々に形成された前記溝は、第１側面と第２側面とを備え、前記第１側面と前記 第２側面の各々は前記内側側面に対抗していて、前記第１側面の一端部とその一端部に近 接する前記第２側面の一端部は前記内側側面に対抗しない第３側面を介して接続され、かつ、前記溝は、音叉腕の長さ方向において第４側面に対向する第５側面を備え、前記第１ 側面の他端部は前記第５側面の一端部に直接に接続され、前記第２側面の他端部は前記第 ４側面の一端部に直接に接続されている水晶振動子である。

本発明の水晶ユニットの第１の態様は、第１の態様に記載の水晶振動子と、金属製またはガラス製の蓋とケースとを備えた水晶ユニットで、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記ケースの固定部に固定され、かつ、前記金属製またはガラス製の蓋が前記ケースに接続されている水晶ユニットである。
本発明の携帯機器の第１の態様は、第１の態様に記載の水晶振動子と、あるいは、第１の態様に記載の水晶ユニットと、増幅器と、コンデンサーと、抵抗素子とを備えた水晶発振器を備えて構成される携帯機器で、前記水晶発振器を前記携帯機器の基準信号源として用いる携帯機器である。

このように、本発明は水晶振動子と水晶ユニットおよびそれらの製造方法で、音叉腕の側面の電極およびそれに対抗する異極の電極を持つ新しい形状と電極構成を有する音叉型屈曲水晶振動子、即ち、例えば、音叉腕の中立線を挟んだ中央部に溝を設け、且つその溝に電極を配置した音叉型屈曲水晶振動子を採用することにより、電気的諸特性に優れた超小型の水晶ユニットとそれを備えた水晶発振器を提供することができる。

加えて、音叉腕の上下面に各々１個の溝が設けられ、設けられた溝の長さは、等価直列抵抗Ｒ_１の小さな振動子を得るために、０．４から０．７の範囲内にあるので、本発明の水晶ユニットに搭載される音叉型屈曲水晶振動子は、等価直列抵抗Ｒ_１が小さくなり、品質係数Ｑ値の高い超小型の音叉型屈曲水晶振動子を得ることができる。

更に、例えば、音叉腕の厚みｔに対する溝の厚みｔ_１は０．０５から０．７９の範囲内にあり、その溝に電極を配置し、その電極に対抗して極性の異なる電極が配置されているので、振動子の小型化が極めて容易に行えると同時に、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑの高い超小型の音叉型屈曲水晶振動子が得られる。その結果、超小型の水晶ユニットと水晶発振器を得ることができる。

又、音叉腕に溝を有する前記音叉型屈曲水晶振動子の基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_１が２次高調波モード振動の等価直列抵抗Ｒ_２より小さい音叉型屈曲水晶振動子を備えた水晶ユニットを備えて水晶発振器が構成されるので、２次高調波モード振動を抑えた基本波モードで容易に振動する良好な水晶発振器が実現できる。

更に、本発明で用いられる新形状と新電極構成を有する音叉型屈曲水晶振動子の製造方法を提供することにより、超小型で、品質に優れた、安価な水晶振動子を実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態を実施例によって図面に基づき具体的に述べる。

図１（ａ）および（ｂ）は本発明の水晶ユニットの第１実施例の、蓋を省略した状態での正面図および、蓋付きの状態での側面図である。この実施例の水晶ユニット１はケース２と音叉型屈曲水晶振動子３と蓋１９とを具えて構成されている。又、音叉型屈曲水晶振動子３は音叉腕４，５と音叉基部６とを具えて構成されていて、音叉基部６はケース２に設けられた固定部７に導電性接着剤８，９又は半田によって固定されている。更に、音叉腕４，５には溝１０，１１が設けられ、本実施例では、音叉腕に設けられた溝は音叉基部６にまで延在している。なお、本実施例及びその他の実施例の水晶ユニットの、ケース内に収納される音叉型屈曲水晶振動子の詳細については図２から図１５で詳細に説明される。

又、固定部７には電極１２，１３が配置されていて、音叉基部６に配置された互いに異極となる電極にそれぞれ接続されている。即ち、２電極端子を構成している。更に、固定部７の電極１２にはケース２の裏面の一方の端部にまで延在して配置され電極１４と同極になるように構成される。これに対して、固定部７の電極１３はケース２の裏面の他方の端部にまで延在して配置され電極１５と同極になるように構成されている。又、ケース２と蓋１９は接合部材１６を介して接合されている。

なお、本実施例では、電極１４と電極１５とはケース２の互いに反対に位置する端部に設けられているが、電極１４，１５はケースの裏面の任意の位置に設けても良い。又、このケース２の裏面の電極構成は以下に述べられる実施例のケースについても適用されるものである。

更に、本実施例ではケース２に真空中で封止するための穴１７が設けられていて、封止部材１８で封止されている。又、本実施例では、ケースの材料としてセラミックス又はガラス、蓋の材料としてはガラス又は金属、又、ケースと蓋を接合する接合部材としては低融点ガラス又は半田を含む金属を用い、更に、ケースの穴を封止する封止部材としては同様に低融点ガラス又は半田を含む金属が用いられる。

又、本実施例では、ケース２に真空中で封止するための穴１７が設けられているが、ケース２には真空封止用の穴１７を設けないで、ケースと蓋とを接合部材を介して真空中で直接封止しても良い。なお、本実施例のケースと蓋との構成は以下に述べられる他の実施例のケースと蓋にも適用されるものである。

図２は、ケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する蓋３とともに本実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子２１の外観図とその座標系を示すものである。座標系Ｏ、電気軸ｘ、機械軸ｙ、光軸ｚからなりＯ−ｘｙｚを構成している。本実施例の音叉型屈曲水晶振動子２１は音叉腕２２と音叉腕２３と音叉基部２４とから成り、音叉腕２２と音叉腕２３とは音叉基部２４に接続されている。更に、音叉腕２２の上面には中立線を挟んで溝２５が設けられ、又、音叉腕２３の上面には音叉腕２２と同様に溝３１が設けられている。なお、図２では音叉型屈曲水晶振動子２１に配置された電極を省略して示し、角度θは、ｘ軸廻りの回転角であり、通常、０〜１０°の範囲で選ばれる。

図３は図２の音叉型屈曲水晶振動子２１の断面図を示し、図４は図２の音叉型屈曲水晶振動子２１の上面図を示す。ここでは、図２中の、音叉腕２２のＡ−Ａ′断面図を、図３において紙面の右側に示し、又、図２中の、音叉腕２３のＢ−Ｂ′断面図を図３において紙面の左側に示す。音叉腕２２の上下面には中立線３７（図４参照）を挟んで溝２５，２６が設けられている。更に、溝２５には電極２７が、溝２６には電極２８が配置され、その側面には電極２９，３０が配置されていて、電極２７，２８と電極２９，３０とは異電極となるように構成されている。更に詳述するならば、各音叉腕の上下面の幅方向には各々２個の段差部が音叉腕の長さ方向に沿って設けられ、前記２個の段差部には同極となる電極が配置され、前記各電極と対抗する側面に配置された電極は極性が異なるように構成されている。と同時に、音叉腕２２の溝２５，２６と電極２７，２８と側面の電極２９，３０とは音叉基部２４にまで延在して設けられている。

音叉腕２３の上下面にも音叉腕２２と同様に中立線３８（図４参照）を挟んで溝３１，３２が設けられている。そして、溝３１には電極３３が、溝３２には電極３４が配置されている。更に、その側面には電極３５，３６が配置されていて、電極３３，３４と電極３５，３６とは互いに異電極となるように構成されている。と同時に、音叉腕２３の溝３１，３２と電極３３，３４と側面の電極３５，３６とは音叉基部２４にまで延在して設けられている。又、音叉腕２２と音叉腕２３との電極は図３に示すように接続されて、２電極端子構造Ｃ−Ｃ′を形成する。今、電極端子Ｃ−Ｃ′間に直流電圧を印加すると、音叉腕２２と音叉腕２３とには電界Ｅ_ｘが各矢印方向に働く。この電界Ｅ_ｘは音叉腕内で電極に垂直に、すなわち直線的に働くので、電界Ｅ_ｘが大きくなり、歪の発生が大きくなる。その結果、音叉型屈曲水晶振動子２１を小型化した場合でも損失等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子が得られる。

図４では溝２５，３１の配置及び寸法などを詳述する。すなわち、この実施例の音叉型屈曲水晶振動子２１には音叉腕２２の中立線３７を挟むようにして溝２５が設けられ、他方の音叉腕２３にも中立線３８を挟んで溝３１が設けられている。そして、それら溝２５および溝３１の幅Ｗ_２は、中立線３７と中立線３８とを挟んだ寸法とすることが好ましい。この理由は、屈曲モードを引き起こすとき、音叉腕２２，２３の振動を容易にすることができるからである。これにより、等価直列抵抗Ｒ_１を小さくすることができ、品質係数Ｑ値の高い振動子を実現できる。

更に、音叉腕２２，２３の全幅ＷはＷ＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ｗ_３で与えられ、通常はＷ_１＝Ｗ_３となるように設計される。又、溝幅Ｗ_２はＷ_２▲≧▼Ｗ_１，Ｗ_３を満足する条件で設計される。更に、具体的に述べると、溝幅Ｗ_２と音叉腕幅Ｗとの比（Ｗ_２／Ｗ）が０．３５〜０．８５となるように形成される。このように形成することにより、音叉腕の中立線３７と中立線３８を基点とする慣性モーメントが大きくなる。即ち、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、Ｑ値の高い、しかも容量比の小さい音叉型屈曲水晶振動子を得ることができる。

これに対して、溝２５および溝３１の長さｌ_１については、溝２５，３１が、音叉腕２２，２３から長さｌ_２の音叉基部２４にまで延在し、その音叉基部２４に延在する溝の長さがｌ_３となるような寸法とされている。それ故、音叉腕２２、２３に設けられた溝の長さは、ｌ_０＝（ｌ_１−ｌ_３）で与えられ、等価直列抵抗Ｒ_１の小さな振動子を得るために、０．４〜０．７の範囲内の値を有する。更に、音叉基部の歪量を大きくして、Ｒ_１を小さくし、且つ、支持、固定によるエネルギー漏れのない振動子を得るには音叉基部の溝の長さｌ_３と音叉基部の長さｌ_２との比が０．０４〜０．７８の範囲内の値になるように溝２５，３１が構成される。なお、本実施例では、溝の長さｌ_３の側面全部に電極が配置されているが、側面の電極が溝の長さｌ_３より短く配置されている時には、ｌ_３は電極の長さと同じ長さとする。また、音叉型屈曲水晶振動子２１の全長ｌは要求される周波数や収納容器の大きさなどから決定される。と同時に、基本波モードで振動する良好な音叉型屈曲水晶振動子を得るためには、以下で説明するように、溝の長さｌ_１と全長ｌとの間には密接な関係が存在する。

すなわち、音叉腕２２，２３又は音叉腕２２，２３と音叉基部２４とに設けられた溝の長さｌ_１と音叉型屈曲水晶振動子２１の全長ｌとの比（ｌ_１／ｌ）が０．２〜０．６８の範囲内の値となるように溝の長さを設定している。このように形成する理由は、不要振動である２次高調波振動（基本波周波数の約６．３倍の周波数）を抑圧することができるからである。それ故、基本波モードで容易に振動する良好な音叉型屈曲水晶振動子が実現できる。さらに詳述するならば、基本波モードで振動する音叉型屈曲水晶振動子の等価直列抵抗Ｒ_１が２次高調波振動での等価直列抵抗Ｒ_２より小さくなる。即ち、Ｒ_１＜Ｒ_２となり、増幅器（ＣＭＯＳインバータ），コンデンサ，抵抗，本実施例の水晶ユニット等から成る水晶発振器において、振動子が基本波モードで容易に振動する良好な水晶発振器が実現できる。

更に、図示されていないが、本実施例の音叉型屈曲水晶振動子２１は厚さｔの振動子で、溝の厚みｔ_１を有している。本実施例では、溝の厚みｔ_１と音叉腕又は音叉腕と音叉基部の厚みｔとの比（ｔ_１／ｔ）が０．０５〜０．７９の範囲内の値となるように溝が形成されている。このように形成することにより、音叉腕又は音叉腕と音叉基部の溝の側面電極とそれに対抗する側面の電極との間の電界Ｅ_ｘが大きくなる。即ち、電気機械変換効率の良い、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい振動子が得られる。

また、この実施例では、音叉基部２４は、図４中、振動子２１の長さｌ_２の下側部分全体とされ、又、音叉腕２２及び音叉腕２３は、図４中、振動子２１の長さｌ_２の部分から上側の部分全体とされている。本実施例では音叉の叉部は矩形をしているが、本発明は前記形状に限定されるものではなく、音叉の叉部がＵ字型をしていてもよい。この場合も、矩形の形状と同じように、音叉腕と音叉基部との寸法の関係は前記関係と同じである。更に、本実施例では、音叉基部の溝と側面とに電極を配置しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、音叉基部の溝の側面に配置された電極（側面電極）に対しｘ軸方向（幅方向）に隣接する、溝の側面電極と極性の異なる少なくとも１個の電極を音叉基部の面上に配置しても良い。例えば、音叉基部の溝と溝との間に、隣接する溝の側面電極と極性の異なる２個の電極（例えば、図４に仮想線で示す電極２５ａ，３１ａ）を面上に、又は４個の電極を上下面に配置しても良い。この場合、厚み方向の対抗電極は同極となるように構成される。このように構成することにより、音叉基部の歪量が大きくなるので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい音叉型屈曲水晶振動子を得ることができる。

図５は、図１に示すケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する図１に示す蓋３とともに本発明の第２実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子６９の外観図とその座標系を示すものである。この実施例の音叉型屈曲水晶振動子６９では、先に述べた第１実施例における音叉型屈曲水晶振動子２１と同様に、音叉腕７０と音叉腕７６とに、溝７１と溝７７とがそれぞれ設けられると共に、音叉基部９０には、溝８２と溝８６とが溝７１と溝７７との間に設けられている。

図６は、図５の音叉型屈曲水晶振動子６９の音叉基部９０のＤ−Ｄ′断面図を示す。図６では図５の水晶振動子の音叉基部９０の断面形状並びに電極配置について詳述する。音叉腕７０と連結する音叉基部９０には溝７１，７２が設けられている。同様に、音叉腕７６と連結する音叉基部９０には溝７７，７８が設けられている。更に、溝７１と溝７７との間には溝８２と溝８６とが設けられている。又、溝７２と溝７８との間には溝８３と溝８７とが設けられている。そして、溝７１と溝７２とには電極７３，７４が、溝８２と溝８３とには電極８４，８５が、溝８６と溝８７とには電極８８，８９が、溝７７と溝７８とには電極７９，８０が配置され、音叉基部９０の両側面には電極７５，８１が配置されている。

更に、電極７５，７９，８０，８４，８５は一方の同極に、電極７３，７４，８１，８８，８９は他方の同極になるように配置されていて、２電極端子構造Ｅ−Ｅ′を構成する。即ち、ｚ軸方向に対抗する溝の電極は同極に、且つ、ｘ軸方向に隣接する電極は異極になるように構成されている。又、図示しないが音叉腕７０，７６には第１実施例の音叉型屈曲水晶振動子２１（図３参照）と同じ様に電極が配置されている。今、２電極端子Ｅ−Ｅ′に直流電圧を印加（Ｅ端子に正、Ｅ′端子に負）すると電界Ｅｘは図６に示した矢印のように働く。電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。従って、音叉型屈曲水晶振動子を小型化させた場合でも、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子が得られる。

図７は図５の音叉型屈曲水晶振動子６９の上面図を示すものである。図７では溝７１，７７の配置について特に詳述する。音叉腕７０の中立線９１を挟むようにして溝７１が設けられている。他方の音叉腕７６も中立線９２を挟むようにして溝７７が設けられている。更に、本実施例の音叉型屈曲水晶振動子６９では、音叉基部９０の、溝７１と溝７７との間に挟まれた部分にも溝８２と溝８６とが設けられている。それら溝７１，７７及び溝８２，８６を設けたことで、水晶振動子６９には、先に述べたように、電界Ｅｘが図６に示した矢印のように働き、電界Ｅｘは水晶振動子の側面と溝内の側面とに配置された電極により電極に垂直に、即ち、直線的に引き出されるので、電界Ｅｘが大きくなり、その結果、発生する歪の量も大きくなる。このように、本実施例の音叉型水晶振動子６９の形状と電極構成とは、音叉型水晶振動子を小型化した場合でも電気的諸特性に優れた、即ち、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い水晶振動子を実現できる。尚、幅寸法Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２＋Ｗ_３と長さ寸法ｌ_１，ｌ_２，ｌ_３と厚み寸法ｔ，ｔ_１とについては先に述べた第１実施例と同様の寸法条件とすることが望ましく、これらの寸法条件は、既に図４の説明の際に詳述したので、ここでは省略する。

図８は、図１に示すケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する図１に示す蓋３とともに本発明の第３実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子３００の外観図とその座標系を示すものである。そして、図９は、図８の振動子３００の上面図であり、又、図１０は、図９の音叉型屈曲水晶振動子３００のＩ−Ｉ′断面の形状を示す断面図である。図８に示すように、振動子３００の座標系は水晶の結晶軸であるｘ軸（電気軸）廻りに回転角θ度回転されている。そして、水晶の結晶軸であるｙ軸（機械軸）およびｚ軸（光軸）の回転後の新軸はそれぞれｙ′軸又はｚ′軸とされており、かかる角度θは通常０°〜１０°の範囲内の角度に設定される。この音叉型屈曲水晶振動子３００は、音叉腕３０１と音叉腕３０２と音叉基部３０３とを具えて構成された、厚さｔを有するものである。さらに、音叉腕３０１には段差が設けられて、上面部３０１ａと中面部３０１ｂとの間に段差部（上面部３０１ａの内側面）３０４が形成され、その中面部３０１ｂおよび段差部３０４は音叉基部３０３にまで延在している。又、音叉腕３０２の上面にも音叉腕３０１と同様に図９及び図１０に示すように中面部３０２ｂおよび段差部３０５が形成されている。そして、音叉基部３０３にも、上面部３０３ａ，中面部３０３ｂ及び段差部３０６が形成されている。

即ち、図９に示すように、この振動子３００の音叉腕３０１には幅方向の任意の位置に段差部３０４が、一方、音叉腕３０２には幅方向の任意の位置に段差部３０５が、それぞれ音叉基部３０３にまで延在して設けられ、それら段差部３０４及び段差部３０５は、音叉基部３０３の段差部３０６にそれぞれ接続されている。又、音叉腕の側面と段差部との間の寸法は音叉腕幅Ｗの半分以下が好ましい。このように寸法を構成することにより、電界Ｅｘを大きくすることができる。その結果、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子を得ることができる。

さらに、図１０に示すように、音叉腕３０１の下面にも上面と同様に段差が設けられて、下面部３０１ｃと中面部３０１ｄとの間に段差部３０７が形成され、その段差部３０７は音叉基部３０３にまで延在している。ここで、上面の段差部３０４は、音叉腕３０１の内側に向き、また、下面の段差部３０７は、音叉腕３０１の外側に向いている。そして、段差部３０４には電極３０８が、中面部３０１ｂにはその電極３０８に連なる電極３０９が配置されている。一方、段差部３０７には電極３１０が、中面部３０１ｄにはその電極３１０に連なる電極３１１が配置されている。また、音叉腕３０１の、段差部３０４に配置された電極３０８に対抗する側面（音叉腕３０１の上面部３０１ａの外側面）には電極３１２が配置され、段差部３０７に配置された電極３１０に対抗する側面（音叉腕３０１の下面部３０１ｃの内側面）には電極３１３が配置されている。

このように電極を配置することにより、電界Ｅｘは電極３０８と電極３１２間及び電極３１０と電極３１３間でそれら電極に垂直に働く。これと同様に音叉腕３０２にも、音叉腕３０１と左右対称に段差が設けられて各電極が配置されている。即ち、音叉腕３０２の、上面と下面とには段差部３０５，３１４，上面部３０２ａ及び中面部３０２ｂが設けられ、段差部３０５には電極３１５が、中面部３０２ｂにはその電極３１５に連なる電極３１６が配置されている。又、段差部３１４には電極３１７が、中面部３０２ｄにはその電極３１７に連なる電極３１８が配置されている。更に、音叉腕３０２の、電極３１５に対抗する側面（音叉腕３０２の上面部３０２ａの外側面）には電極３１９が、電極３１７に対抗する側面（音叉腕３０２の中面部３０２ｂの内側面）には電極３２０が配置されている。更に、電極構成について詳述すると、電極３０８，３０９，３１０，３１１，３１９，３２０は一方の同極に、電極３１２，３１３，３１５，３１６，３１７，３１８は他方の同極にされて２電極端子Ｋ−Ｋ′を構成している。

今、電極端子Ｋ−Ｋ′に交番電圧を印加すると、電界Ｅｘは図１０の実線と点線との矢印で示すように電極間に垂直かつ交互に働き、屈曲振動を容易に引き起こすことができる。この結果、損失等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子が得られる。

なお、本実施例では、段差部は音叉腕から音叉基部にまで延在して設けられているが、音叉腕にのみ設けても良く、又は、音叉基部にのみ設けても良い。更に、音叉基部３０３にまで延在している下面の段差部３０７と段差部３１４との間に溝を設け、溝の側面の電極と対抗する電極とが異極となるように構成しても同様の効果が得られる。

図１１は、図１に示すケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する図１に示す蓋３とともに本発明の第４実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子３２１の外観図とその座標系を示すものである。そして、図１２は、図１１の振動子３２１の上面図であり、又、図１３は、図１２の音叉型屈曲水晶振動子３２１のＪ−Ｊ′断面の形状を示す断面図である。なお、本実施例の座標系は図８に示す座標系と同じである。ここでの音叉型屈曲水晶振動子３２１は、音叉腕３２２と音叉腕３２３と音叉基部３２４とを具えて構成され、厚みｔを有している。

さらに、音叉腕３２２には段差が設けられて、図１１及び図１３に示すように、上面部３２２ａ，中面部３２２ｂ，中面部３２２ｄ及び下面部３２２ｃが形成されるとともに、段差部（上面部３２２ａの内側面）３２５が形成され、その中面部３２２ｂおよび段差部３２５は音叉基部３２４にまで延在している。又、音叉腕３２３の上面にも音叉腕３２２と同様に図１２及び図１３に示すように中面部３２３ｂおよび段差部３２６が形成されている。そして、音叉基部３２４にも、上面部３２４ａ，中面部３２４ｂおよび下面部３２４ｃ（図示されていない）及び段差部３２７が形成されている。

即ち、図１２と図１３に示すように、音叉腕３２２および音叉腕３２３には段差部３２５と段差部３２６が設けられ、それら段差部３２５，３２６は、音叉基部３２４にまで延在し、段差部３２７に接続されている。さらに、音叉腕３２２の上面には段差部３２５と下面には段差部３２８とが設けられ、又、音叉腕３２３の上面には段差部３２６と下面には段差部３２９とが設けられている。

ここで、上面の段差部３２５および下面の段差部３２８は音叉腕３２２の内側に向き、上面の段差部３２６および下面の段差部３２９は音叉腕３２３の内側に向いている。段差部３２５には電極３３０が、中面部３２２ｂにはその電極３３０に連なる電極３３１が配置され、又、段差部３２８には電極３３２が、中面部３２２ｄにはその電極３３２に連なる電極３３３が配置される。更に、音叉腕３２２の内側面には電極３３４が、音叉腕３２２の外側面には電極３３５が配置されている。これにより、電極３３０および電極３３２に対抗するように異極の電極３３５が配置されることとなる。

かかる音叉腕３２２と同様に、音叉腕３２３にも音叉腕３２２と左右対称に段差が設けられて各電極が配置されている。即ち、音叉腕３２３には、段差部３２６，３２９，上面部３２３ａ，中面部３２３ｂ，中面部３２３ｄ及び下面部３２３ｃが設けられ、段差部３２６には電極３３６が、中面部３２３ｂにはその電極３３６に連なる電極３３７が配置される一方、段差部３２９には電極３３８が、中面部３２３ｄにはその電極３３８に連なる電極３３９が配置されている。又、音叉腕３２３の内側面には電極３４０が、音叉腕３２３の外側面には電極３４１が配置されることから、電極３３６および電極３３８に対抗するように異極の電極３４１が配置された構成となる。さらに、図１３に示すように、電極３３０，３３１，３３２，３３３，３４０，３４１は一方の同極に、電極３３４，３３５，３３６，３３７，３３８，３３９は他方の同極にされ、２電極端子Ｌ−Ｌ′を構成する。

今、２電極端子Ｌ−Ｌ′に交番電圧を印加すると、電界Ｅｘは図１３の実線と点線との矢印で示すように電極間に垂直かつ交互に働き、屈曲振動を容易に引き起こすことができる。この結果、損失等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子が得られる。なお、本実施例では、音叉腕３２２，３２３の内側に中面部３２２ｂ，３２２ｄ，３２３ｂ，３２３ｄを設けているが、音叉腕３２２，３２３の外側に中面部を設けても同様の効果を有する。

又、本実施例では、中面部のある音叉腕の内側の両側面に電極３３４と電極３４０とが配置されているが、これらの電極は配置しなくとも良く、又は、各中面部の電極と同極になるように配置しても良く、前記効果と同様の効果を有する。

図１４は、図１に示すケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する図１に示す蓋３とともに本発明の第５実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子３５１の上面図である。音叉腕３５２と音叉腕３５３との上下面には、幅方向の任意の位置に各々１個の段差部が設けられている（下面の段差部は図示されていない）。図１４では上面の段差部３５５と段差部３５６とが設けられている。更に、本実施例では、音叉腕３５２，３５３の外側に中面部３５５ｂ，３５６ｂが設けられている。図示されていないが、中面部３５５ｄ，３５６ｄは裏面にも設けられていて、段差部３５５と段差部３５６とは音叉基部３５４にまで延在して設けられている。また、音叉腕の電極配置については、図１３と同じ様に配置されている。

図１５は、図１に示すケース２に収納されて、そのケースとそれを封止する図１に示す蓋３とともに本発明の第６実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子３５１ａの上面図である。音叉腕３５２ａと音叉腕３５３ａとの上下面には、幅方向の任意の位置に段差部が音叉腕の長さ方向に延在して設けられている（下面の段差部は図示されていない）。図１５では上面の段差部３５５ａと段差部３５６ａとが設けられていて、段差部３５５ａ，３５６ａとは、音叉腕３５２ａ，３５３ａの長さ方向に１個の階段部３５５ｅと階段部３５６ｅとを有するように設けられている。更に詳述するならば、音叉腕の上下面には、幅方向の任意の位置に各々１個の段差部が設けられ、その段差部が音叉腕の長さ方向に１個延在して設けられ、前記段差部は音叉腕の長さ方向に１個の階段部を有している。ここで、「幅方向の任意の位置に１個の段差部」には、幅方向に厚みの異なる、いわゆる階段部を有する形状をも含むものである。なお、音叉型屈曲水晶振動子の音叉腕の上下面の少なくとも１面には幅方向の任意の位置に１個の段差部が設けられ、その段差部が音叉腕の長さ方向に少なくとも１個延在している構成であれば、本実施例の構成に限らず、後述する本実施例の効果と同様の効果を得ることができる。

更に、本実施例では、音叉腕３５２ａ，３５３ａの外側に中面部３５５ｂ、３５６ｂが設けられている。図示されていないが、中面部３５５ｄ，３５６ｄは裏面にも設けられていて、本実施例では段差部３５５ａと段差部３５６ａとは音叉基部３５４ａにまで延在して設けられているが、音叉腕にのみ設けても良い。また、音叉腕の電極配置については、図１３と同じ様に配置されている。

なお、本実施例では、音叉腕の長さ方向に１個の階段部が設けられているが、２個以上の複数個の階段部を設けても良い。又、前記段差部は音叉腕の長さ方向に分割されていても良い。更に、本実施例の段差部及び階段部の構成は第３実施例〜第５実施例の音叉型屈曲水晶振動子にも適用できる。

次に、本発明の水晶ユニットの製造方法の実施例について、図面に記載の工程に従って述べる。図１６は上記実施例の水晶ユニットを製造するための、本発明の製造方法の一実施例の工程図である。記号Ｓ−１からＳ−１２は工程の番号を示す。まず、Ｓ−１では水晶ウエハ４０（断面図で示す）が準備される。次に、Ｓ−２ではその水晶ウエハ４０の上面と下面に金属膜（例えば金）４１が蒸着又はスパッタリングにより形成される。更に、Ｓ−３では前記金属膜４１の上にレジスト４２が塗布される。そして、フォトリソ工程により、それら金属膜４１とレジスト４２とが音叉形状を残して除去された後、エッチング加工により、Ｓ−４で示される音叉腕４３，４４と音叉基部４５とを具えた音叉形状が形成される。なお、図１６では１個の音叉形状の形成について示したが、同様にして、１枚の水晶ウエハ上に多数個の音叉形状が形成される。

次に、Ｓ−２とＳ−３の工程で示したと同様の金属膜とレジストがＳ−４の音叉形状に塗布されて、フォトリソ工程とエッチング加工により、Ｓ−５で示される音叉腕４３および音叉腕４４に溝４６，４７，４８，４９が形成される。更に、Ｓ−５に金属膜とレジストが塗布されて、フォトリソ工程により極性が異なる電極がＳ−６で示されるように形成される。

即ち、音叉腕４３の側面に配置された電極５０，５３と音叉腕４４の溝４８，４９に配置された電極５５，５６は同極となるように接続形成される。同様に、音叉腕４３の溝４６、４７に配置された電極５１，５２と音叉腕４４の側面に配置された電極５４，５７は同極となるように接続形成される。更に詳述するならば、溝の側面（段差部）と対抗する音叉腕の側面に互いに異なる極性を有する電極が配置されているので、音叉腕は逆相で屈曲振動をする。

本実施例では、Ｓ−３の工程から音叉形状を形成し、その後、音叉腕に溝を形成しているが、本発明は前記実施例に限定されるものではなくて、Ｓ−３の工程からまず溝を形成し、その後に音叉形状を形成しても良い。又は、音叉形状と溝を同時に形成しても良い。更に、Ｓ−４からＳ−５の工程で音叉腕と音叉基部とに溝を形成しても良い。又、本実施例では溝を形成しているが、溝の代わりに、段差部と中面部とを形成しても良い。

次の工程は矢印で示されるＡとＢの２つの方法がある。Ａはケースに穴がない場合で、Ｂは穴がある場合である。まずＡの工程では形成された音叉型屈曲水晶振動子６０の音叉基部４５がＳ−７で示されるように、ケース５８の固定部５９に導電性接着剤６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８では水晶振動子６０の周波数がレーザ６２又は蒸着にて所要の値に調整され、最後に、Ｓ−９で示すように、ケース５８と蓋６３とが低融点ガラス６４又は半田などの金属を介して接合される。この場合はケース５８は真空封止用の穴を持たないので、接合は真空中で行われる。図示されていないが、更に、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−９の後にレーザで周波数調整をしても良い。

次にＢの工程では、Ｓ−１０で音叉型屈曲水晶振動子６０の音叉基部４５がケース６５の固定部５９に導電性接着剤６１又は半田にて固定される。次に、Ｓ−８と同じ様にして周波数調整が行われ、更に、Ｓ−１１では、ケース６５を蓋６３がＳ−９と同じ方法で接合される。更に、真空中で周波数調整が行われ、最後に、Ｓ−１２では、ケース６５に設けられた穴６７が真空中で低融点ガラスや半田などの金属６６を用いて封止される。このように、本実施例では、Ｓ−１０の工程の後とＳ−１１の工程の後とに周波数調整が行われるが、少なくともどちらか一方の工程の後に周波数調整をしても良い。又、Ａの工程と同じように、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−１２の後にレーザーで周波数調整をしても良い。

本実施例では、１個の音叉型屈曲水晶振動子を具える水晶ユニットの製造方法について説明したが、２個以上（複数個）の振動子を具える水晶ユニットの場合も同じ工程で製造される。即ち、Ｓ−３の工程から接続部を介して音叉基部で接続される２個以上（複数個）の音叉形状を形成し（Ｓ−４）、更に、Ｓ−５では両音叉腕に溝又は両音叉腕と両音叉基部とに溝を形成し、Ｓ−６では各音叉型屈曲水晶振動子は逆相で振動するように、更に、両音叉型屈曲水晶振動子の電極は両振動子が電気的に並列になるように配置され、Ａ工程（Ｓ−７〜Ｓ−９）又はＢ工程（Ｓ−１０〜Ｓ−１２）にて形成される。更に、周波数の偏差を小さくするために、Ｓ−９又はＳ−１２の後にレーザで両振動子の周波数調整を行っても良い。

上記方法で製造された本発明の水晶ユニットは、超小型で、品質に優れた、安価な水晶ユニットを実現することができる。と同時に、上記水晶ユニットを備えた水晶発振器が高品質で実現できる。

以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものではなく、例えば、上記第２実施例の水晶ユニットにおける音叉型屈曲水晶振動子では、その音叉腕に設ける溝が音叉基部にまで延在して形成され、前記音叉基部に設けられた溝と溝との間に更に溝が設けられて、かかる構成の溝の電極構成について述べているが、音叉基部の溝と連なる音叉腕の溝及び音叉腕の側面にも上記第１実施例の水晶ユニットにおける音叉型屈曲水晶振動子と同様に電極が配置されている。

更に、本発明の第３実施例〜第６実施例では音叉腕の上下面の幅方向の任意の位置に各々１個の段差部を音叉腕の長さ方向に直線になるように設け、段差部と音叉腕の側面に電極が対抗して配置されていて、前記対抗電極は互いに極性が異なるように構成されている音叉型屈曲水晶振動子を示しているが、段差部は音叉腕の長さ方向に曲線になるように設けても良い。同時に、音叉腕が逆相で振動するように電極は構成される。更に、本発明の上記実施例では溝を音叉腕、又は音叉腕と音叉基部とに設けているが、溝の代わりに穴を設けても良い。

又、上記第１実施例〜第２実施例では、音叉型屈曲水晶振動子に溝として２個の対向する段差部（段差部４個）がその端部で接続されるような構成の形状（上面図で四角形）が示されているが、本発明に適用できる溝の形状はこれに限定されるものではない。即ち、本発明に適用できる溝の形状は、少なくとも２個の段差部からなる形状を有するものを含むものであり、音叉腕又は音叉基部の長さ方向に延在する段差部を有する、例えば三角形以上の多角形のような形状や円弧を含む形状をも包含するものである。と同時に、長さ方向に対向する段差部の片方の端部同士が段差部を介して接続されている形状をも溝として包含するものである。

更に、上記実施例では、音叉基部と固定部とを導電性接着剤又は半田によって固定されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、音叉基部とケースの固定部とに配置された金属同士を原子間結合による固定法を用いても良い。

又、上記実施例の音叉型屈曲水晶振動子は音叉腕２本から構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、音叉腕が３本以上であっても良い。上記実施例の水晶振動子は化学的エッチング法を用いて形成される。

以上述べたように、本発明の水晶振動子と水晶ユニットおよびそれらの製造方法によれば、さらに次の如き著しい効果が得られる。
（１）音叉腕の中立線を挟んで溝を設けることにより、電界が垂直に働く。その結果、電気機械変換効率が良くなるので、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい、品質係数Ｑ値の高い音叉型屈曲水晶振動子とそれを収納した水晶ユニットが得られる。
（２）等価直列抵抗Ｒ_１の小さい超小型の音叉型屈曲水晶振動子が搭載されるので、超小型の水晶ユニットが高品質で実現できる。
（３）音叉型屈曲水晶振動子の音叉寸法と溝との関係を示すことにより、２次高調波振動を抑えた基本波モードで振動する、しかも、等価直列抵抗Ｒ_１の小さい超小型の音叉型屈曲水晶振動子を得ることができるので、超小型の水晶ユニットが高品質で得られる。

本発明の水晶振動子と水晶ユニットと水晶発振器は超小型で、高い周波数安定性を有するので、特に、超小型で、高い周波数安定性を必要とする携帯機器に適用できる。

（ａ）および（ｂ）は本発明の水晶ユニットの第１実施例の、蓋を省略した状態での正面図および、蓋付きの状態での側面図である。 上記第１実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の外観図とその座標系である。 図２の音叉腕のＡ−Ａ′断面図とＢ−Ｂ′断面図である。 図２に示す音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 本発明の第２実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の概観図とその座標系である。 図５の音叉型屈曲水晶振動子の音叉基部のＤ−Ｄ′断面図である。 図５の音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 本発明の第３実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の概観図とその座標系である。 図８に示す音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 図９の音叉腕のＩ−Ｉ′断面の形状を示す断面図である。 本発明の第４実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の外観図とその座標系である。 図１１に示す音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 図１２の音叉腕のＪ−Ｊ′断面の形状を示す断面図である。 本発明の第５実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 本発明の第６実施例の水晶ユニットを構成する音叉型屈曲水晶振動子の上面図である。 本発明の水晶ユニットの製造方法の一実施例の工程図である。 （ａ）および（ｂ）は従来の水晶ユニットの、蓋を省略した状態での正面図および、蓋付きの状態での側面図である。

符号の説明

４，５，２２，２３，４３，４４ 音叉腕
６，２４，４５，９０，１０４，１１６，１４８，１５６ 音叉基部
７，５９，１０６ 固定部
Ｗ_２ 溝幅
Ｗ 音叉腕の全幅
Ｗ_１，Ｗ_３ 音叉腕の部分幅
ｌ_１ 溝の長さ
ｌ_２ 音叉基部の長さ
ｔ 振動子の厚み
ｔ_１ 溝の厚み

Claims (3)

1. 音叉基部と前記音叉基部に接続された少なくとも第１音叉腕と第２音叉腕を備えて構成され、屈曲モードで振動し、基本波モード振動と２次高調波モード振動を備えた音叉型屈曲水晶振動子で、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の一端部は前記音叉基部に接続され、他端部は自由である音叉型屈曲水晶振動子であって、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々は、上面とその上面に対抗する下面と、内側側面とその内側側面に対抗する外側側面とを有し、前記基本波モード振動の等価直列抵抗Ｒ _１ が、前記２次高調波モード振動の等価 直列抵抗Ｒ _２ より小さくなるように、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下 面の各々に形成される溝の長さ寸法ｌ _１ と、前記音叉型屈曲水晶振動子の全長の寸法ｌが 決定され、前記第１音叉腕の前記内側側面は前記第２音叉腕の前記内側側面に対向していて、前記第１音叉腕と前記第２音叉腕の各々の上面と下面の各々に形成された前記溝は、 第１側面と第２側面とを備え、前記第１側面と前記第２側面の各々は前記内側側面に対抗 していて、前記第１側面の一端部とその一端部に近接する前記第２側面の一端部は前記内 側側面に対抗しない第３側面を介して接続され、かつ、前記溝は、音叉腕の長さ方向において第４側面に対向する第５側面を備え、前記第１側面の他端部は前記第５側面の一端部に直接に接続され、前記第２側面の他端部は前記第４側面の一端部に直接に接続されていることを特徴とする水晶振動子。
2. 請求項１に記載の水晶振動子と、金属製またはガラス製の蓋とケースとを備えた水晶ユニットで、前記音叉型屈曲水晶振動子は前記ケースの固定部に固定され、かつ、前記金属製 またはガラス製の蓋が前記ケースに接続されていることを特徴とする水晶ユニット。
3. 請求項１に記載の水晶振動子と、あるいは、請求項２に記載の水晶ユニットと、増幅器と、コンデンサーと、抵抗素子とを備えた水晶発振器を備えて構成される携帯機器で、前記水晶発振器を前記携帯機器の基準信号源として用いることを特徴とする携帯機器。

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